大功率齿轮箱的状态监测系统设计

刘华军，王 平，王俊轩

LIU Hua-jun1,WANG Ping2,WANG Jun-xuan2

（1. 中国人民解放军91550部队，大连 116023；2. 哈尔滨工程大学 机电工程学院，哈尔滨 150001）

0 引言

齿轮箱是机械传动系统的重要组成部分，广泛应用于各个行业中，其运行状况直接影响整个系统的正常运行，因此齿轮箱的状态监测成为设备状态监测的重要组成部分。许多学者对其进行了研究，取得了一系列重要的成果。Yang Wenxian建立了齿轮箱的硬件实验平台，通过小波分析方法处理高速采集振动信号，唐一科采用三级动态库技术和采样项目数据管理模式开了一种新的系统，对齿轮箱状态进行监测；窦春红利用虚拟仪器技术进行了齿轮箱故障诊断系统的设计；郭鹏采用温度趋势分析的方法对风电机组齿轮箱的运行状态进行监测；陈刚分析了齿轮箱各种故障表征信号的类型，高度集成了各种故障诊断模块，设计出了一种新的齿轮箱诊断系统；赵栓峰提出一种基于掌上电脑技术的新型采煤机齿轮箱故障诊断系统；刘淑霞利用图形化编程语言和模块化硬件，对齿轮箱振动信号实时监测，建立了一体化诊断系统；陈亮以光纤光栅传感器为测量节点，光纤为信号传输介质设计一种齿轮箱的状态实时监测系统。

上述研究对齿轮箱各部件、各物理量的监测往往是根据动态振动信号，经过综合分析来间接判断的，这就必然会在一定程度上存在偏差。为了直接地监测相应的物理量，真正达到状态监测的目的，本文通过对某大功率船用二级行星齿轮箱进行分析，设计了一种新型的状态监测系统，对齿轮箱行星齿轮根部应力和行星轮轴温进行测量，从而实现实时并直接地监测齿轮箱的状态。

1 系统总体结构设计

本文研究的船用齿轮箱的机构简图如图1所示，该齿轮箱是一个分流型二级行星齿轮箱。图1中(a)为第一级行星轮系的行星轮；(b)为第一级行星轮系的内齿圈，同时也是第二级行星轮系的太阳轮；(c)为第二级行星轮系的行星轮；(e)为第一级行星轮系的太阳轮，同时也是动力的输入轴；(f)为第二级行星轮系的内齿圈，同时也是第一级的行星支架和输出轴。

齿轮是齿轮箱中最重要的部件，随着渗碳淬火技术的发展，齿面的硬度得到提高，齿轮的抗点蚀能力及抗胶合能力有明显增强，齿轮的弯曲疲劳断裂成为主要失效形式；船用齿轮箱因其使用的特殊环境，轴承应采用压力循环润滑，它是利用油泵经油路系统将一定压力的润滑油送到轴承表面，在轴与轴瓦间形成油膜，通过润滑油将摩擦热带走，当轴承故障时，轴温度会缓慢升高。因此，齿轮箱齿根应力和齿轮轴温是极其重要的物理量，对其进行监测能有效预测齿轮箱的故障。

齿轮箱监测系统如图2所示，系统可以分为硬件和软件两大部分。硬件部分包括测量系统、无线供电系统和数据传输系统。测量系统分为应力测量系统和温度测量系统；由于被测量行星轮是位于第一级行星轮系的行星轮，该行星轮相对于机壳具有复杂的运动规律，它既有相对于输入轴太阳轮的公转，还有绕着自身行星架（亦即输出轴）的自转，因此本文设计了两级旋转式无线供电使电能从齿轮箱外部传到行星轮上。软件部分指的是位于上位机PC端的人机界面，该软件需要能够接收来自齿轮箱内部的数据信息，同时经过计算处理后用最直观的方式呈现给操作者。

图1 齿轮箱轴系机构简图

图2 系统总体结构

2 硬件系统设计

2.1 测量系统

测量系统需要完成对应力和温度传感器的信号采集，放大电压信号，由单片机采集完数据以后计算出相应的应力值，再通过无线数传模块传输出来，其流程如图3所示。

图3 测量系统工作流程

由齿根应力的分析可知，齿轮轮齿折断一般都是局部性的，而且多见于端面，因此其危险截面可确定为在轮齿端面的30°切线的受拉一侧，虽然确定了轮齿的危险的截面，但是在这种情况下的主应力方向未知，因此我们可以将应变片如图4所示贴于齿根端面。

由弹性力学知识可求得该点的主应力大小为：

图4 直角应变花

图5 行星轮轴孔温度测量装置安装图

本文采用测量行星轮轴孔温度的方法来测量温度。鉴于动油压和振动的影响，本文采用以下测量方案：将测试传感器PT100置于具有较好导热性能的黄铜管内，并使用弹性固定法固定在行星轮轴孔上，这样可以保证元件的良好接触，又可以保证元件能牢固地固定在测试点不产生相对移动，同时这样的方法具有一定的防震性能和密封效果。其结构图如图5所示，图5中1为元件护套；2为压紧弹簧；3为双头凸接头； 4为锁紧螺母； 5为电线护管。

2.2 无线供电系统

由于所测量行星轮运动的复杂性，电能要从齿轮箱外部传到行星轮上，必须经过两级旋转式无线供电。本文采用二级非接触感应电能传输系统完成电能的无线传输，非接触电能传输技术是利用电磁耦合以非接触的方式给负载传递能量的一项新颖技术。该系统的组成如图6所示。系统从工频电网获取工频交流电，经过工频整流滤波环节后得到平稳的直流电，高频逆变电路将直流电流逆变成高频的交流电，并输入松散耦合变压器的原边线圈，这样就在松耦合变压器内部及周围产生高频交变的磁场，电源拾取机构通过气隙以松散磁感应耦合方式在磁场中产生感应交变电动势，交变电动势在次级闭合回路中产生高频交变电流，经过高频整流滤波电路和稳压调节后给负载供电，从而完成了整个非接触电能传输的供电过程。由图6可知，一个完整的非接触感应电能传输系统需要包括原边变换器、松散耦合变压器、副边电能拾取电路以及必要的电容补偿方案。

图6 非接触感应电能传输系统的组成

原边变换器采用无控制方案的振荡电路来实现。一般来说，这种无反馈的形式会给整个系统带来较大的不稳定性，但是考虑到副边的测量电路是一个比较稳定的负载，不存在负载的较大波动，因此只要保证输入电源的稳定，合理调整原副边的参数是可以使系统达到一个稳定状态的。基于以上考虑，非接触感应电能传输系统的初级电路设计采用的形式如图7所示。开关管采用的是高速开关管J13009-2，由于该变换器可以最大输出180W的功率，因此开关管必须加装散热片。本设计经过参数调节，其输出电压为25kHz，幅值为15V的交流矩形波，最大电流可达12A。

图7 原边变换器

图8 副边拾取电路

目前松散耦合变压器并没有一个完善的设计标准，因此本文的磁芯参数是参考普通高频变压器的铁芯参数设计，在磁芯的形状方面，由于使用场合为旋转方式，因此选择了罐状铁芯，它具有耦合性能好，结构简单，易于制作和调整的优点。从传输效率上考虑，罐状铁芯相比其他铁芯具有更合理的磁路结构，它能保证最小的漏磁通。

副边拾取电路包括副边绕组线圈，桥式整流，平滑滤波和必要的电容补偿环节。副边感应电动势为一个高频的交流电压，其频率理论上与原边一致，同样为25kHz，因此一般的整流二极管已经无法满足高频的需要了，这里采用的是HER307快速恢复型整流二极管。副边拾取电路如图8所示，C1、R1构成平滑滤波电路，R为负载，C2为补偿电容。

2.3 数据传输

在选择无线数传模块时，需要要求该模块具有较低的发射和接收功率，高效的纠错编码以及高可靠性。本文在经过筛选以后选用了深圳市安美通科技有限公司生产的APC220-43多通道微功率嵌入式无线数传模块作为本系统的数据传输部分。

3 实验测试与分析

为了验证设计的原理是否合理，本文根据测量系统的实际情况，设计了输出功率为10W的非接触感应电能传输系统。原边变换器输入：交流220V正弦波（50Hz）；原边变换器输出：交流15V矩形波（25kHz）；第一级松耦合变压器：原边采用Φ1.2mm的2组漆包线并绕15匝，线圈匝径25mm，副边采用Φ1.2mm的2组漆包线并绕15匝，线圈匝径28mm；第二级松耦合变压器：原边采用Φ1.2mm的2组漆包线并绕15匝，线圈匝径25mm副边采用Φ0.4mm的3组漆包线并绕14匝，线圈匝径28mm；负载：采用功率为20W的G4灯珠；磁罐规格为：GU58×36；磁罐间气隙：2mm。

为了减小实验误差，实验进行了5次，共记录5组数据，如表1所示。从表中可以看出，二级输电的效率较一级非接触感应电能传输明显下降了很多，仅仅有30%左右。但是在负载获得的功率上可以看出，基本能保证10W的功率输出。第一级松耦合变压器的原边电流增加了将近1A，但是第一级的原边电压并未出现电压的明显拉低现象，实验用的功率器件并未出现发烫情况，一切运行正常。由此可以说明，二级非接触感应电能传输在本系统中的应用是能够实现的。

表1 二级非接触感应电能传输的功率及效率数据表

4 结论

本文通过对某船用二级行星齿轮箱分析，设计了一种新型的状态监测系统。此系统与传统监测系统的区别在于，传统监测系统对各物理量的监测往往是根据动态振动信号，经过综合分析来间接判断的。本文设计的系统通过对齿轮箱行星齿轮根部应力和行星轮轴温进行测量，实现了实时并直接地监测齿轮箱的状态。本系统运用基于松散耦合变压器的二级非接触感应电能传输系统完成电能的无线传输。最后对非接触感应电能传输系统进行了模拟实验，验证了供电系统具有良好的可行性。

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